DE2500057A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR STABILIZATION OF INTEGRATED CIRCUITS - Google Patents
CIRCUIT ARRANGEMENT FOR STABILIZATION OF INTEGRATED CIRCUITSInfo
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Description
SchaltungenCircuits
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung integrierter Schaltungen.The invention relates to a circuit arrangement for stabilization integrated circuits.
Monolythische Schaltungen, wie sie in Leistungsverstärkern verwendet werden, erfordern zuweilen bipolare NPN- und PNP-Transistoren. Die Transistoren monolithischer integrierter Schaltungen werden üblicherweise in epitaxialem Silicium vom N-Typ hergestellt, welches auf einem Siliciumsubstrat vom P-Typ angeordnet ist. Vertikale NPN-Transistoren können leicht hergestellt werden, indem eine Basisdiffusion vom P-Typ in die Epitaxialschicht vom N-TyD und eine Emitterdiffusion vom N-Typ in die Basis vom P-Tyd verwendet wird.Die Epitaxialschicht vom N-Typ bildet die Kollektorelektrode eines aolchen NPN-Transistors. Das Substrat wird in NPN- Monolithic circuits, such as those used in power amplifiers, sometimes require NPN and PNP bipolar transistors. The monolithic integrated circuit transistors are commonly fabricated in N-type epitaxial silicon disposed on a P-type silicon substrate. Vertical NPN transistors can be easily fabricated using P-type base diffusion in the N-TyD epitaxial layer and N-type emitter diffusion in the P-TyD base. The N-type epitaxial layer forms the collector electrode of one such NPN transistor. The substrate is in NPN
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Transistoranordnungen nur für Isolationsfunktionen verwendet. Eine Isolationsdiffusion vom Typ P+ umgibt im allgemeinen Jeden NPN-Transistor und bildet eine Isolation.Transistor arrangements used only for isolation functions. A P + type insulation diffusion generally surrounds everyone NPN transistor and forms an isolation.
PNP-Transistoren, welche meist schwierig in der Epitaxialschicht vom N-Typ herzustellen sind, haben gewöhnlich entweder einen lateralen oder einen vertikalen Aufbau. Vertikale Substrat-PNP-Transistoren weisen Kollektorelektroden auf, weiche aus dem Substratmaterial vom P-Typ gebildet sind, und haben Basiselektroden, welche aus dem Epitaxialmaterial vom N-Typ gebildet sind. Die P-Diffusion, welche die Basiselektroden von NPN-Transistoren bildet, liefert die Emitterelektroden von Substrat-PNP-Anordnungen. Somit bildet das Kollektormaterial der NPN-Anordnungen die Basis von Substrat-PNP-Anordnungen, und die Basisdiffusion für die NPN-Anordnungen bildet die Emitterelektrode von Substrat-PNP-Anordnungen. Weil der Kollektor einer Substrat-PNP-Anordnung das Substrat selbst ist, kann der Kollektor nicht belastet werden bzw. geladen werden und muß an die negative Versorgung angeschlossen werden. Folglich können derartige Transistoren nur in einer Emitterfolger-Anordnung verwendet werden.PNP transistors, which are mostly difficult in the epitaxial layer of the N-type usually have either a lateral one or a vertical structure. Vertical substrate PNP transistors have collector electrodes formed from the P-type substrate material, and have base electrodes, which are formed of the N-type epitaxial material. The P diffusion, which is the base electrodes of NPN transistors forms the emitter electrodes of substrate PNP arrays. Thus, the collector material of the NPN arrangements forms the Base of substrate PNP arrays, and base diffusion for the NPN array forms the emitter electrode of substrate PNP arrays. Because the collector of a substrate-PNP arrangement is the substrate itself, the collector cannot be loaded or charged and must be connected to the negative supply. Consequently, such transistors can only can be used in an emitter follower arrangement.
Substrat-Darlington-Anordnungen weisen einen Treibertransistor und einen Ausgangstransistor auf. Der Treibertransistor hat einen Emitter, welcher an die Basis des Ausgangstransistors angeschlossen ist, und weist einen Kollektor auf, welcher an den negativen Ehergieversorgungsleiter angeschlossen ist. Die Basis des Treibertransistors ist mit dem Darlington-Eingang oder der Treiberklemme verbunden. Der Emitter des Ausgangstransistors ist mit der Ausgangsklemme der Darlington-Anordnung verbunden, und der Kollektor des Ausgangstransistors ist mit dem negativen Energieversorgungsleiter verbunden.Substrate Darlington arrangements have a driver transistor and an output transistor. The drive transistor has an emitter which is connected to the base of the output transistor, and has a collector, which is connected to the negative Ehergieversorgungsleiter. The base of the driver transistor is connected to the Darlington input or the driver terminal. The emitter of the output transistor is connected to the output terminal of the Darlington arrangement and the collector of the output transistor is connected to the negative power supply conductor.
Das Emitter-Strom-Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt (f^ ) von als monolithische integrierte Schaltung ausgebildeten Substrat-PNP-Transistoren ist in typischen Fällen gering und liegt bei spielsweise in der Größenordnung von 3 bis 30 MHz. Folglich tre-The emitter current gain bandwidth product (f ^) formed as a monolithic integrated circuit substrate PNP transistors is low in typical cases and is for example in the order of 3 to 30 MHz. Consequently
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ten Probleme auf, wenn Versuche unternommen werden, diese Transistoren in Darlington-Anordnungen zur Leitung großer Ströme durch Impedanzen zu verwenden, welche kapazitive Reaktanzen aufweisen. Wenn eine rein kapazitive Last an die Ausgangsklemme einer Substrat-PNP-Darlington-Folgerschaltung angeschlossen wird, so zeigt die Reaktanz der kapazitiven Last die Tendenz, in einen negativen Widerstand an der Eingangsklemme der Darlington-Schaltung umgeformt zu werden. Dieser negative Widerstand tendiert offensichtlich dazu, eine Schwingung zu erzeugen.problems arise when attempts are made to use these transistors to be used in Darlington arrangements for conducting large currents through impedances which have capacitive reactances. if a purely capacitive load to the output terminal of a substrate PNP Darlington follower circuit connected, the reactance of the capacitive load shows the tendency to a negative resistance the input terminal of the Darlington pair. This negative resistance obviously tends to be an oscillation to create.
Wenn weiterhin ein Lastwiderstand parallel zu der Lastkapazität geschaltet wird, dann wird die Impedanz, mit welcher die Eingangsklemme von Darlington-Substrat-PNP-Transistoren beaufschlagt wird, von einem negativen Widerstand in eine induktive Reaktanz umgeformt. Diese Induktivität in Verbindung mit Streukapazitäten in der Schaltung an der Eingangsklemme der Darlington-Anordnung, welche von den Kollektoren gebildet würde, erzeugen offensichtlich einen Resonanzkreis. Auch eine positive Rückführung durch den Resonanzkreis führt offen-If a load resistor continues to be connected in parallel with the load capacitance is, then the impedance with which the input terminal of Darlington substrate PNP transistors is applied, of one negative resistance converted into inductive reactance. This inductance in connection with stray capacitances in the circuit at the input terminal of the Darlington arrangement, which from the collectors would evidently create a resonance circuit. Positive feedback through the resonance circuit also leads openly
sichtlich zu einer unerwünschten Schwingung.visibly to an undesirable oscillation.
Eine bekannte Lösung zur Oberwindung dieses Instabilitätsproblems besteht darin, den 'Basiswiderstand oder das Ausgangssubstrat der Darlington-PNP-Anordnung zu erhöhen. Dies kann dadurch geschehen, daß ein Widerstand verwendet wird, um den Emitter des Treibertransistors mit der Basis des Aus gangs transistors zu verbinden. Dieser Widerstand muß einen großen Wert haben, der in der Größenordnung von 10 Kiloohm liegt. Der Basisstrom des' Ausgangstransistors muß durch diesen großen Widerstand hindurchfließen. Da der Wert beta eines PNP-Substrat-Transistors, verhältnismäßig niedrig ist, beispielsweise 20 beträgt, erfordert der PNP-Substrat-Ausgangstransistor hohe Basisströme, um hohe Lastströme zu fördern. Solche Basisströme erzeugen jedoch einen großen Spannungsabfall am Basiswiderstand. Folglich kann die Lastspannung nicht in das negative Versorgungspotential getrieben werden, und zwar wegen des Potentialabfalls, der am Basis- A known solution to overcoming this instability problem is to increase the base resistance or output substrate of the Darlington PNP array. This can be done by that a resistor is used to connect the emitter of the driver transistor to the base of the transistor from output. This resistance must have a large value, on the order of 10 kilo ohms. The base current of the 'output transistor must flow through this great resistance. Since the value beta of a PNP substrate transistor is relatively low, for example 20, the PNP substrate output transistor requires high Base currents to promote high load currents. Generate such base currents however, a large voltage drop across the base resistor. As a result, the load voltage cannot be driven into the negative supply potential because of the potential drop that occurs at the base
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Widerstand auftritt, der mit der Last in Reihe liegt.Resistance occurs in series with the load.
Eine andere bekannte Lösung für das Instabilitätsproblem erfordert, daß ein Kondensator zwischen der Eingangsklemme der Darlington-Anordnung und Erde oder einem Leiter mit geringem Pegel angeordnet wird. Wenn dieser Kondensator einen großen Wert hat, der in der Größenordnung von 300 Picofarad liegt, so überdeckt dessen Reaktanz offensichtlich die unerwünschte Impedanz, welche von der Last auf die Eingangsklemme der Darlington-Anordnung reflektiert wird. Der Nachteil dieser Technik liegt in der Tatsache, daß der Kondensator einen großen Teil des Formbereichs einnimmt, wenn er auf dem Plättchen bzw. der Scheibe ausgebildet wird. Kondensatoren einer integrierten Schaltung haben Kapazitäten von etwa 0,1 Picofarad auf einer Fläche von etwa 0,000625 mm (square mil). Somit erfordert ein Kondensator mit 500 Picofarad eine Fläche von etwa 1,8 mm (3000 square mils), was eine unerwünscht große FlächeAnother known solution to the instability problem requires that a capacitor be placed between the input terminal of the Darlington arrangement and ground or a low level conductor. If this capacitor has a large value, on the order of 300 picofarads, its reactance will apparently mask the undesirable impedance reflected from the load on the input terminal of the Darlington arrangement. The disadvantage of this technique lies in the fact that the capacitor occupies a large part of the mold area, when it is formed on the wafer or the wafer. Integrated circuit capacitors have capacities of about 0.1 picofarads over an area of about 0.000625 mm (square mil). Thus, a 500 picofarad capacitor requires an area of about 1.8 mm (3000 square mils), which is an undesirably large area
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bedeutet. Wenn die Kapazität außerhalb der Scheibe/des Plättchensmeans. If the capacity is outside the disc / platelet
gebildet wird, dann sind Leitungen erforderlich, um Anschlüsse herzustellen. Somit vergrößern externe Kondensatoren entweder die Kosten der integrierten Schaltung, weil sie zusätzliche Leitungsanschlüsse erfordern, oder begrenzen die elektrische Funktion, die ausgeführt werden kann, da Leitungen für solche Funktionen erforderlich sind. Weiterhin ist es erwünscht, im Hinblick auf verbesserte Marktchancen die Anzahl der externen Bauelemente zu vermindern, die für den Einaatz einer integrierten Schaltung erforderlich sind.lines are required to make connections. Thus, external capacitors either add cost to the integrated circuit because they require additional lead connections or limit the electrical function that can be performed because leads are required for such functions. Furthermore , it is desirable, with a view to improved market opportunities, to reduce the number of external components that are required for the use of an integrated circuit.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei außerordentlich großer Leistung besonders wenig Raum einniamt. The object of the invention is to create a circuit arrangement of the type mentioned at the outset which takes up particularly little space with an extremely high output.
Gegenstand der Erfindung ist eine Stabilisierungsschaltung, weiche den effektiven Wert eines Kondensators erhöht, sowie der Aufbau eines solchen Kondensators. Die Stabilisierungsschaltung kann einen Transistor aufweisen, der eine Basis hat, welche mit dem Konden- The invention relates to a stabilization circuit which increases the effective value of a capacitor and the structure of such a capacitor. The stabilization circuit can have a transistor which has a base which is connected to the capacitor
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sator verbunden ist, und der einen Emitter aufweist, welcher mit demjenigen Punkt verbunden ist, an welchen eine erhöhte effektive Kapazität geschaffen werden soll. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Transistor ein Teil eines Vorspannungsnetzwerks. Der Punkt oder der Schaltungsknoten, an welchem die erhöhte Kapazität erwünscht ist, kann die Basiselektrode des Eingangstransistors einer PNP-Substrat-Darlington-Folgerschaltung sein, welche Eingangs- und Ausgangstransistoren aufweist. Sator is connected, and which has an emitter, which is connected to the point at which an increased effective capacity is to be created. According to a preferred Embodiment of the invention, the transistor is part of a bias network. The point or circuit node at which the increased capacitance is desired may be the Base electrode of the input transistor of a PNP substrate Darlington follower circuit which has input and output transistors.
Pur den Kondensatοraufbau ist ein Leiter vorgesehen, der aus einem ersten Bereich eines Halbleitermaterials eines ersten Leitungstyps gebildet ist, welches einen Isolationsbereich und einen Teil aufweist, der durch eine Basisdiffusion gebildet ist, welche bei der Herstellung von NPN-Transistoren verwendet wird. Ein zweiter Bereich eines Halbleitermaterials eines zweiten Leitfähigkeitstyps bildet einen integralen Bestandteil des ersten Bereichs und bildet eine Platte des Kondensators. Dieser zweite Bereich kann durch eine Emitterdiffusion hergestellt werden, welche bei der Herstellung von NPN-Transistoren verwendet wird. Eine Schicht aus Siliciumdioxid überdeckt den zweiten Bereich und bildet das Dielektrikum des Kondensators. Eine Metallisierungsschicht über dem Siliciumdioxid bildet die andere Platte des Kondensators, welche mit der Basiselektrode des ersten Transistors verbunden sein kann. Der Isolationsbereich verbindet den zweiten Bereich oder die Platte mit dem Substrat, welches eine weitere Verbindung mit der Erde oder einer negativen Energieversorgungsklemme liefert.A conductor is provided for the condensate build-up a first region of a semiconductor material of a first conductivity type is formed which has an insulation region and has a part formed by a base diffusion, which is used in the manufacture of NPN transistors. A second region of semiconductor material of a second conductivity type forms an integral part of the first region and forms one plate of the capacitor. This second one Area can be made by emitter diffusion, which used in the manufacture of NPN transistors. A layer of silicon dioxide covers and forms the second area the dielectric of the capacitor. A metallization layer Above the silicon dioxide forms the other plate of the capacitor, which is connected to the base electrode of the first transistor can be. The isolation area connects the second area or the plate to the substrate, which is a further connection to earth or a negative power supply terminal.
Gemäß der Erfindung wird somit eine Stabilisierungsschaltung geschaffen, welche den effektiven Wert eines Kondensators erhöht, wobei sich die Erfindung auch auf den Aufbau des monolithischen Kondensators bezieht. Die Stabilisierungsschaltung weist einen Transistor auf, der eine Basis hat, welche mit dem Kondensator verbunden ist, und der einen Emitter aufweist, welcher mit einemAccording to the invention, a stabilization circuit is thus created which increases the effective value of a capacitor, the invention also relating to the construction of the monolithic capacitor. The stabilization circuit comprises a transistor which has a base which is connected to the capacitor and which has an emitter which is connected to a
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Punkt verbunden ist, an welchem eine erhöhte effektive Kapazität geschaffen werden soll. Der Kondensatoraufbau ist dafür geeignet, in monolithischen integrierten Schaltungen eingesetzt zu werden, welche diffundierte Isolationsbereiche haben. Eine erste Platte des Kondensators wird durch eine Metallisierungsschicht gebildet, während die zweite Platte des Kondensators durch eine Emitterdiffusion in die Isolationsdiffusion erzeugt werden kann. Eine Basisdiffusion, welche leitend mit der Emitterdiffusion verbunden ist und mit der Isolationsdiffusion, fördert die Verbindung der zweiten Platte des Kondensators mit dem Substrat.Point is connected at which an increased effective capacity is to be created. The capacitor structure is suitable for to be used in monolithic integrated circuits which have diffused isolation areas. A first record of the capacitor is formed by a metallization layer, while the second plate of the capacitor can be produced by emitter diffusion in the insulation diffusion. One Base diffusion, which is conductively connected to the emitter diffusion and to the insulation diffusion, promotes the connection of the second plate of the capacitor to the substrate.
Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß eine integrierte Schaltungskonfiguration geschaffen wird, durch welche die effektive Kapazität eines kleinen Kondensators über seinen eigentlichen Kapazitätwert ermöglicht wird.According to the invention, the essential advantage that an integrated circuit configuration is created can be achieved by which enables the effective capacitance of a small capacitor over its actual capacitance value.
Weiterhin ist gemäß der Erfindung der Vorteil erreichbar, daß eine Technik zur Erhöhung der effektiven Kapazität eines kleinen Kondensators zur Stabilisierung einer andernfalls instabilen Schaltung eingesetzt werden kann.Furthermore, according to the invention, the advantage can be achieved that a technique for increasing the effective capacity of a small Capacitor can be used to stabilize an otherwise unstable circuit.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:The invention is explained below, for example, with reference to the drawing described; in this show:
Fig. 1.ein Schaltschema einer Verstärkerschaltung, welche in einer monolithischen integrierten Schaltung eingesetzt ist, die eine Frequenzstabilisierungsschaltung verwendet, die eine Kondensatoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthalten kann undFig. 1. a circuit diagram of an amplifier circuit, which in a monolithic integrated circuit is used that uses a frequency stabilization circuit that has a Capacitor arrangement according to one embodiment of the invention can contain and
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Halbleiterform, welche eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung veranschaulicht.Fig. 2 shows a cross section through a semiconductor form, which is an embodiment of the capacitor arrangement according to the invention illustrated.
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In der Fig. 1 ist ein Schaltschema einer Verstärkerschaltung dargestellt, welche eine Art veranschaulioht, in welcher die Erfindung ausgeführt sein kann. Genauer gesagt, die Verstärkerschaltung/gemäß Fig. 1 weist eine positive Energieversorgungsklemme 12 auf, die an einen Leiter 14 angeschlossen ist, und eine negative Energieversorgungsklemme 16, welche an den negativen Energieversorgungsleiter 18 angeschlossen ist. Die Bezugsspannungsklemme 20 (V ^) .ist derart ausgebildet, daß sie ein Potential aufnimmt, welches zwischen denjenigen Potentialen liegt, welche den Energieversorgungsklemmen 12 und 16 zugeführt sind. Die Bezugsspannung kann von einer aus einer Vielzahl von bekannten Schaltungen geliefert werden. Die Eingangsklemme 21 ist derart ausgebildet, daß sie ein Eingangssignal aufnimmt, welches ein sinusförmiges Signal sein kann, welches eine Tonfrequenz hat.In Fig. 1, a circuit diagram of an amplifier circuit is shown, which illustrates a way in which the Invention can be carried out. More precisely, the amplifier circuit / according to FIG. 1 has a positive power supply terminal 12 which is connected to a conductor 14, and a negative power supply terminal 16 connected to the negative power supply conductor 18 is connected. The reference voltage terminal 20 (V ^). Is designed such that it picks up a potential which lies between those potentials which the power supply terminals 12 and 16 are supplied. The reference voltage can be provided by any of a variety of known circuits. The input terminal 21 is designed such that it receives an input signal, which may be a sinusoidal signal, which has a tone frequency.
Der Transistor 22 weist einen Emitter auf, welcher mit dem Energieversorgungsleiter 14 verbunden ist, und eine Basis, welche mit der Bezugsspannungsklemme 20 verbunden ist. Der zur Diode geschaltete Transistor 24 weist einen Emitter auf, welcher an den Leiter 18 angeschlossen ist, sowie eine Basis und einen Kollektor, die in bekannter Weise derart miteinander verbunden sind, daß eine Diode gebildet wird. Der Kollektor und die Basis des Transistors 24 sind mit dem Kollektor des Transistors 22 verbunden. Der Transistor 26 weist einen Emitterauf, welcher an den Leiter angeschlossen ist, und hat eine Basis, welche Bit dem Transistor 24 verbunden ist. . ■The transistor 22 has an emitter which is connected to the power supply conductor 14, and a base which is connected to the reference voltage terminal 20 is connected. The diode-connected transistor 24 has an emitter which is attached to the conductor 18 is connected, as well as a base and a collector which are connected in a known manner so that one Diode is formed. The collector and the base of the transistor 24 are connected to the collector of the transistor 22. Of the Transistor 26 has an emitter attached to the conductor and has a base which is bit connected to transistor 24. . ■
Das Vorspannungsnetzwerk 28 weist einen Transistor 30, einen Widerstand 33 und einen Widerstand 35 auf. Der Widerstand 33 ist von dem Kollektor an die Basis des Transistors 30 geführt, und der Widerstand 35 ist von der Basis an den Beitter des Transistors 30 geführt. Der Kollektor des Transistors 30 ist mit dem Emitter des Signalverstärker-Transistors 32 verbunden, dessen Kollektor mit dem Leiter 14 verbunden ist. Die Basis desThe bias network 28 includes a transistor 30, a Resistor 33 and a resistor 35. The resistor 33 is led from the collector to the base of the transistor 30, and the resistor 35 is led from the base to the backer of the transistor 30. The collector of transistor 30 is connected to the emitter of the signal amplifier transistor 32, the collector of which is connected to the conductor 14. The basis of the
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Transistors 32 ist mit der Eingangsklemme 21 und mit der Basis des NPN-Ausgangstransistors 34 verbunden. Der Emitter des Transistors 34 ist mit der Ausgangsklemme 41 verbunden.Transistor 32 is connected to input terminal 21 and to the base of NPN output transistor 34. The emitter of the Transistor 34 is connected to output terminal 41.
Die Klemme 37 der PNP-Darlington-Schaltung 36, welche die PNP-Substrat-Transistoren 38 und 40 enthält, ist ebenfalls an die Ausgangsklemme 41 angeschlossen. Die Basis des Eingangstransistors 38 ist über die Klemme 39 mit dem Kollektor 27 des Transistors verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 38 und 40 sind mit dem Energieversorgungsleiter 18 verbunden, und der Emitter des Transistors 38 ist mit der Basis des Transistors 40 verbunden. Der Emitter des Transistors 40 ist mit der Klemme 37 verbunden.The terminal 37 of the PNP Darlington circuit 36, which the PNP substrate transistors 38 and 40 is also connected to output terminal 41. The base of the input transistor 38 is connected to the collector 27 of the transistor via the terminal 39. The collectors of transistors 38 and 40 are connected to the Power supply conductor 18 connected, and the emitter of the transistor 38 is connected to the base of transistor 40. The emitter of transistor 40 is connected to terminal 37.
Im Betrieb liefert der Transistor 22 einen Strom über die Diode 24, welcher den Stromquellen-Transistor 26 in den leitenden Zustand versetzt. Die Basis des Transistors 32 ist durch die Signaltreiberschaltung (nicht dargestellt) derart vorgespannt, daß der Transistor 32 als Verstärker der Klasse A arbeitet. Somit fließt ein konstanter Strom durch das "N/"-Vorspannungsnetzwerk 28. Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 32 und die Spannung am "Nv"-Netzwerk 28 liefern eine Vorspannung an den NPN-Treibertransistor 3**· und das PNP-Darlington-Paar 36.In operation, the transistor 22 delivers a current via the diode 24, which the current source transistor 26 in the conductive state offset. The base of transistor 32 is through the signal driver circuit (not shown) biased such that transistor 32 operates as a class A amplifier. Consequently a constant current flows through the "N /" bias network 28. The base-emitter voltage of transistor 32 and the voltage on "Nv" network 28 bias the NPN driver transistor 3 ** · and the PNP-Darlington pair 36.
Die positiven Amplituden eines Wechselstrom-Eingangssignals zeigen die Tendenz, sich zu der positiven Vorspannung zu addieren, welche durch das "NV'-Netzwerk 28 an den Vorspannungstransistor 34 geliefert wird, so daß mehr Strom an den Energieversorgungsleiter 14 über die Ausgangsklemme 36 und an eine Last geführt wird, welche eine Widerstandskomponente bzw. ohmsche Komponente 43 und eine kapazitive Komponente 42 aufweisen kann. In alternativer Weise versetzen die negativen Amplituden des Wechselstrom-Eingangssignals die Darlington-Schaltung 36 in einen stärker leitenden Zustand und versetzen den Transistor 34 in einen schwächer leitenden Zustand, so daß die Spannung an der Ausgangsklemme 41 die Tendenz zeigt, in ihrer Größe bzw. Amplitude abzunehmen, so daß dadurch eine Abnahme der momentanen Größe bzw. Amplitude der Spannung an der und des Stromes durch die elektrische Last verursacht werden.Show the positive amplitudes of an AC input signal the tendency to add to the positive bias supplied to the bias transistor 34 by the "NV" network 28 so that more current is sent to the power supply conductor 14 via the output terminal 36 and to a load, which has a resistance component or ohmic component 43 and a capacitive Component 42 may have. Alternatively, the negative amplitudes of the AC input signal offset the Darlington pair 36 in a more conductive state and put the transistor 34 in a less conductive state, see above that the voltage at the output terminal 41 shows the tendency to decrease in size or amplitude, so that thereby a decrease the instantaneous magnitude or amplitude of the voltage and the current caused by the electrical load.
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Nachfolgend wird auf das Problem der Frequenzinstabilität eingegangen. Ohne den Kondensator 44 arbeitet die Schaltung unter einer rein ohmschen bzw. Widerstandslast ordnungsgemäß. Unter einer rein kapazitiven Last jedoch, wobei der mupfter Kondensator 42 von der Klemme 41 an den negativen Energieversorgungsleiter geführt ist, treten Frequenzinstabilitätsprobleme auf. Genauer gesagt, wenn sich der Verstärkereingangssignalstrom an der Klemme 21 ändert, nimmt der Strom in den PHP-Substrat-Elementen der Darlington-Schaltung 36 zu und ab, wodurch f-. der PNP-Elemente verändert wird. Wenn eine bestimmte Vorspannung vorhanden ist, wird die Impedanz, mit welcher die Basis des PNP-Transistors beaufschlagt wird, offensichtlich zu einem negativen Widerstand. Diese Bedingung im Zusammenwirken mit anderen Impedanzen an der Klemme oder dem Verbindungspunkt 39 erzeugt offensichtlich ein unerwünschtes Ausgangsschwingungssignal an der elektrischen Last. Die Schaltung 10 arbeitet dann als. Oszillator, anstatt als Verstärker. Wenn die elektrische Last sowohl den Kondensator 42 als auch den Widerstand 43 aufweist, so kann auch dann eine Schwingung auftreten, wenn das Verstärkereingangssignal den Verstärker dazu bringt, daß sich der Laststrom ändert, wobei sich f^- der PNP-Darlington-Transistoren wiederum ändert. Dies führt zu dem Ergebnis, daß die Impedanz, mit welcher die Basis 39 des PNP-Substrat-Elementes 38 beaufschlagt wird, welche von der aus Ohmschen und kapazitiven Komponenten kombinierten Last reflektiert wird, als induktive Reaktanz zu erscheinen beginnt. Die Kapazität am Verbindungspunkt 39» welche durch die Kollektorkapazität des Transistors 26 und andere kapazitive Effekte erzeugt wird, kombiniert sich offensichtlich mit der Induktivität, so daß ein Resonanzkreis 'entsteht. Die Schleife, welche die Transistoren 26, 30, 32, 34 und die Darlington-Anordnung 36 enthält, schwingt offensichtlich, und zwar aufgrund der Rückführung durch den Resonanzkreis. The problem of frequency instability is discussed below. Without the capacitor 44, the circuit operates properly under a purely ohmic or resistive load. Under a purely capacitive load, however, with the musty capacitor 42 from terminal 41 to the negative power supply conductor frequency instability problems arise. More precisely, when the amplifier input signal current at the terminal 21 changes, the current in the PHP substrate elements of the Darlington pair 36 increases and decreases, whereby f-. of the PNP elements is changed. When a certain bias voltage is present, the impedance with which the base of the PNP transistor becomes is applied, obviously to a negative resistance. This condition in conjunction with other impedances at the terminal or connection point 39 obviously creates a unwanted output oscillation signal on the electrical load. The circuit 10 then operates as a. Oscillator rather than an amplifier. If the electrical load has both the capacitor 42 and the resistor 43, then oscillation can also occur occur when the amplifier input signal passes the amplifier causes the load current to change, where f ^ - the PNP Darlington transistors in turn changes. this leads to the result that the impedance with which the base 39 of the PNP substrate element 38 is applied, which of the from ohmic and capacitive components combined load is reflected, begins to appear as inductive reactance. the Capacity at connection point 39 »which is due to the collector capacity of the transistor 26 and other capacitive effects produced, obviously combines with the inductance, so that a resonance circuit 'arises. The loop, which contains transistors 26, 30, 32, 34 and Darlington arrangement 36, oscillates obviously due to the feedback through the resonant circuit.
Ein bekanntes Verfahren zur Beseitigung dieses Schwingungsproblems besieht darin, eine große Kapazität zwischen dem VerbindungspunktA well known technique for eliminating this vibration problem contains in it, a large capacity between the connection point
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und der Wechselstromerde anzuordnen, welche die Impedanz überdecken würde oder die Impedanz, welche durch die Darlington-Anordnung 36 reflektiert wird, derart beeinflussen würde, daß sie nicht mehr in der Lage ist, eine Schwingung zu erzeugen. Die hierzu erforderliche Kapazität kann in der Größenordnung von 300 Picofarad .liegen, was bei den heutigen monolithischen Verfahren einen großen Bereich in der Größenordnung von etwa 1,8 mm (3OOO square mils) erfordern würde, wenn eine entsprechende Anordnung auf demselben integrierten Schaltungsauf bau vorgesehen würde wie der Verstärker 10. and to arrange the alternating current earth which cover the impedance or would affect the impedance reflected by the Darlington assembly 36 such that it is no longer able to generate an oscillation. The capacity required for this can be in the order of magnitude of 300 picofarads, which in today's monolithic processes is a large range on the order of about 3,000 square mils (1.8 mm) if appropriate Arrangement on the same integrated circuit construction would be provided as the amplifier 10.
Die Schaltung 10 erfordert nicht, daß ein großer Kondensator an die Klemme 39 angeschlossen wird. Genauer gesagt, der Kondensator 44 hat eine Klemme 4-6, welche an die Basis des NPN-Transistors 30 angeschlossen ist, und hat eine weitere Klemme 48, welche an einen Punkt geringer Wechselstromimpedanz angeschlossen ist, welcher der negative Energieversorgungsleiter 18 sein kann· Die Klemme 48 konnte ebenfalls an den positiven Energieversorgungsleiter 14 angeschlossen sein. Der Transistor 30 multipliziert nämlich in der Tat die eigentliche Kapazität des Kondensators 44 in der Weise, daß eine erhöhte effektive Kapazität an der Klemme 39 entsteht, welche gleich dem Wert beta des Transistors 3O ist, multipliziert mit der Kapazität des Kondensators 44· Wenn somit eine Kapazität von 3ÖO Picofarad an der Klemme 39 erforderlich ist, um die Schaltung 1o zu stabilisieren, dann ist ein Kondensator geeignet, welcher an die Basis des Transistors 3O angeschlossen ist und eine Kapazität von 3OO Picofarad aufweist, geteilt durch den Wert beta des Transistors 30· Da nach Standardverfahren der Transistor 30 einen Wert beta von etwa 1OO bekommt, liefert ein Kondensator mit drei Picofarad zwischen der Basis des Transistors 30 und, dem Energieversorgungsleiter 18 3OO Picofarad zwischen der Klemme und dem Leiter 18» Somit erfordert der Kondensator 44· anstatt einer Pläche von etwa 1t8 mm (3OOO square mils) nur noch eine Fläche von etwa 0,018 s® <3O square mils).Circuit 10 does not require that a large capacitor be connected to terminal 39. More specifically, the capacitor 44 has a terminal 4-6 which is connected to the base of the NPN transistor 30, and has another terminal 48 which is connected to a point of low alternating current impedance, which may be the negative power supply conductor 18 · Die Terminal 48 could also be connected to the positive power supply conductor 14. In fact, the transistor 30 multiplies the actual capacitance of the capacitor 44 in such a way that there is an increased effective capacitance at the terminal 39, which is equal to the value beta of the transistor 30 multiplied by the capacitance of the capacitor 44 Capacity of 30 picofarads at terminal 39 is required to stabilize circuit 1o, then a capacitor is suitable which is connected to the base of transistor 3O and has a capacity of 300 picofarads, divided by the value beta of transistor 30 Since, according to standard procedures, transistor 30 has a value beta of about 100, a capacitor with three picofarads between the base of transistor 30 and the power supply conductor 18 delivers 300 picofarads between the terminal and conductor 18. Thus, the capacitor 44 requires instead of a plane of about 1 t 8 mm (3OOO square mils) only an area of about 0.018 s® <3O square mils).
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fch > ■*-.··■-fch> ■ * -. ·· ■ -
Nachfolgend wird der Aufbau des Kondensators erläutert. Wie aus dem Querschnitt der Fig. 2 hervorgeht, weist der Aufbau ein P-Substrat 50 auf, welches eine Schicht eines Epitaxial-Halbleitermaterials 52 vom N-Typ darauf enthält. Auf der nach außen weis-enden Oberfläche des Epitaxialmaterials 52 ist eine Schicht von Siliciumdioxid 62 gewachsen. Eine photolithographische Technik wird dazu angewandtn, um in der Siliciumdioxidschicht selektiv Fenster zu öffnen, durch welche eine Diffusion P+ Isolationsbereiche 54a, 54b und 54c erzeugt, welche sich von der Oberfläche des Epitaxialmaterials 52 in das Substratmaterial 50 erstrecken. Die Epitaxialinseln von N-Typ 56 und 57 sind von Isolationsdiffusionsberexchen 54 vom Typ P+ und von einem Substrat 50 vom P-Typ umgeben. Dann ist Siliciumdioxid in den öffnungen gewachsen, durch welche die Isolationsdiffusionsbereiche 54a, 54b und 54c erzeugt wurden. Die Siliciun&ioxidschicht wird erneut selektiv durch photolithographische Verfahren maskiert und geätzt, um öffnungen zu erzeugen, durch welche eine Basisdiffusion den Bereich 58a erzeugt, welcher die Basiselektrode des NPN-Transistors 30 bildet, weiterhin den Bereich 58b, welcher einen integralen Bestandteil des Isolationsbereiches 54b darstellt, und schließlich den Bereich 58c, welcher den Emitterbereich für den PNP-Substrat-Transistor 38 darstellt. Eine weitere Diffusion bildet den Bereich 60a, der den Emitter des NPN-Transistors 30 bildet, weiterhin den Bereich 60b und die Kollektorkontakte innerhalb des (nicht dargestellten) Halbleitermaterüs·The structure of the capacitor is explained below. As can be seen from the cross section of FIG. 2, the structure a P substrate 50 having a layer of N-type epitaxial semiconductor material 52 thereon. On the after the outside-facing surface of the epitaxial material 52 is a Layer of silicon dioxide 62 grown. A photolithographic one Technique is used to selectively open windows in the silicon dioxide layer through which diffusion P + isolation regions 54a, 54b and 54c, which differ from the Surface of the epitaxial material 52 into the substrate material 50 extend. The N-type epitaxial islands 56 and 57 are from Isolation diffusion area 54 of the P + type and from a substrate 50 surrounded by P-type. Then there is silicon dioxide in the openings grown through which the insulation diffusion regions 54a, 54b and 54c were generated. The silicon oxide layer is again selectively masked by photolithographic processes and etched to create openings through which base diffusion creates the region 58a which is the base electrode of the NPN transistor 30, furthermore the region 58b, which represents an integral part of the isolation region 54b, and finally the region 58c, which is the emitter region for the PNP substrate transistor 38. Another Diffusion forms the region 60a, which is the emitter of the NPN transistor 30 forms, furthermore the area 60b and the collector contacts within the (not shown) semiconductor material
Danach wächst eine Oxidschicht 62 über die Oberfläche des sich auf diese Weise ergebenden Halbleiteraufbaus, und darin werden wiederum selektiv öffnungen vorgesehen. Dann wird eine Metallisierungsschicht aufgebracht und selektiv zu einem Kaster ausgebildet, um den Kollektorkontakt 64, die Emitterkontakte 66 und 72, weiterhin die Basiskontakte 68 und 74 und den Kurzschlußkontakt 70 zu erzeugen. Der Basiskontakt 68 erstreckt sich auch über die Siliciumdioxidschicht 62 und überlappt den Bereich 60b vom Typ N+, um die Platte des Kondensators 44 zu bilden, welcheThereafter, an oxide layer 62 grows over the surface of the itself in this way resulting semiconductor structure, and be in it in turn, selectively openings are provided. Then there is a metallization layer applied and selectively formed to a box to the collector contact 64, the emitter contacts 66 and 72, the base contacts 68 and 74 and the short-circuit contact 70 to generate. The base contact 68 also extends over the silicon dioxide layer 62 and overlaps the area 60b of type N + to form the plate of capacitor 44, which
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mit der Basis des Transistors 30 verbunden ist. Die Metallisierung 70 schließt den Bereich 60b vom Typ N+ an den Bereich 58b vom Typ P in der Weise kurz, daß die Gleichrichterwirkung beseitigt wird, welche andernfalls dazwischen vorhanden wäre, und daß der Reihenwiderstand des Kondensators 44 vermindert wird. Die Metallisierung 72 liefert eine elektrische Verbindung zu dem Emitter des PNP-Transistors 38, und die Metallisierung 74 liefert einen Kontakt zur Basis des Transistors 38.is connected to the base of transistor 30. The metallization 70 shorts the N + type region 60b to the P type region 58b in such a way that the rectifying action which would otherwise be present therebetween is eliminated and the series resistance of the capacitor 44 is reduced. The metallization 72 provides an electrical connection to the emitter of the PNP transistor 38, and the metallization 74 provides a contact to the base of the transistor 38.
Isolationsdiffusionsschichten 54-a, 54b und 54-c können durch die Diffusinnsfenster in der Siliciumdioxidschicht ausgebildet werden, welche eine Breite in der Größenordnung von etwa 0,01 mm (four-tenths of a mil) aufweisen. Gemäß Pig. 2 besteht bei der Isolationsdiffusion P+ die Tendenz, in einer seitlichen Richtung mit etwa derselben Rate zu diffundieren, wie eine Diffusion in der vertikalen Richtung stattfindet. Wenn somit die Epitaxialsohicht 52 eine Tiefe in der Größenordnung von 16 Mikron aufweist, dann beträgt die Auswärtsdiffusion des Isolationsbereiches P+ in der Größenordnung von 16 Mikron. Somit nehmen die Isolationsdiffusionen einen großen Teil des Oberflächenbereiches der Halbleiterform ein. Der Aufbau des Kondensators 44, welcher die Isolationsdiffusion 54-b überdeckt, erhöht die erforderliche Oberfläche nicht nennenswert, weil er einen Oberflächenbereich einnimmt, der andernfalls durch die Isolationsdiffusion 54-b eingenommen würde, welche zwei aktive Einrichtungen voneinander trennt, beispielsweise den Transistor 30 und den Transistor 38. Die Isolationsdiffusion bildet im allgemeinen die Anode der entgegengesetzt bzw. rückwärts vorgespannten Diodenanordnung, welche die Einrichtungen der integrierten Schaltung gegeneinander isoliert.Insulation diffusion layers 54-a, 54b and 54-c can pass through the diffuse windows are formed in the silicon dioxide layer which are on the order of about 0.01 mm (four-tenths of a mil) wide. According to Pig. 2 exists for the isolation diffusion P +, the tendency to diffuse in a lateral direction at about the same rate as diffusion takes place in the vertical direction. Thus, if the epitaxial layer 52 has a depth on the order of 16 microns, then the outward diffusion of the isolation region P + is on the order of 16 microns. So take the insulation diffusions occupy a large part of the surface area of the semiconductor mold. The structure of the capacitor 44, which covers the insulation diffusion 54-b increases the required The surface is negligible because it takes up a surface area that would otherwise be due to the diffusion of insulation 54-b would be taken, which separates two active devices from one another, for example the transistor 30 and the Transistor 38. The isolation diffusion generally forms the anode of the reverse-biased diode array, which isolates the devices of the integrated circuit from one another.
Ss wurde somit oben eine Anordnung beschrieben, welche eine verbesserte monolithische integrierte Verstärkerschaltung darstellt, die ein PNP-Darlington-Paar aufweist. Die integrierte SchaltungAn arrangement has thus been described above which is an improved one Figure 3 illustrates a monolithic amplifier integrated circuit comprising a PNP Darlington pair. The integrated circuit
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weist weiterhin eine Kondensatoranordnung auf, die einen minimalen Raum beansprucht und eine Kapazität aufweist, welche gleich dem Wert beta ist, und zwar in der Weise multipliziert, daß ein effektiver Wert erreicht wird, der dazu in der Lage ist, ein. Paar von PNP-Substrat-Darlington-Transistoren zu stabilisieren· Da die Kondensatoranordnung eine andernfalls erforderliche Isolationsdiffusion vom Typ P+ überdeckt, nimmt die Kondensatoranordnung effektiv keinen zusätzlichen Oberflächenbereich auf der integrierten Schaltungsscheibe in Anspruch. Deshalb können pro Scheibe bzw. Plättchen mehr integrierte Schaltungen untergebracht werden, als wenn andere Kondensatoranordnungen verwendet würden. Somit dient die beschriebene erfindungsgemäße Kondensatoranordnung dazu, die Ausbeute zu erhöhen und die Kosten der integrierten Schaltungen zu senken. Somit zeigen der verbesserte Kondensatoraufbau und die Technik des Multiplizierens des Wertes beta die Tendenz, PNP-Substrat-Darlington-Anordnungen in Schaltungen verwendbar werden zu lassen, wo dies bisher praktisch undurchführbar war, und zwar wegen der beachtlichen Größe, welche von dem erforderlichen Frequenzstabilisierungskondensator eingenommen wurde.furthermore has a capacitor arrangement which has a minimum Occupies space and has a capacity which is equal to the value beta, multiplied in such a way that a effective value is reached, which is able to a. Stabilize pair of PNP substrate Darlington transistors Since the capacitor arrangement covers an insulation diffusion of the P + type that would otherwise be required, the capacitor arrangement decreases effectively does not take up any additional surface area on the integrated circuit wafer. Therefore, pro Disc or plate more integrated circuits are accommodated than if other capacitor arrangements were used. Thus, the described capacitor arrangement according to the invention serves to increase the yield and the costs of the integrated Lower circuits. Thus, the improved capacitor design and the technique of multiplying the value beta show the Trend towards using PNP substrate Darlington arrangements in circuits where this was heretofore practically impracticable because of the considerable size which of the required Frequency stabilization capacitor was taken.
Obwohl die erfindungsgemäße Anordnung des Kondensators in bezug auf eine spezielle monolithische Verstärkerkonfiguration erläutert wurde, ist eine Anwendung auch in anderen monolithischen Anordnungen möglich. Obwohl weiterhin die Beta-Multiplikation des effektiven Kapazitätswertes des Kondensators anhand eines speziellen Kondensatoraufbaus beschrieben wurde, kann der Effekt der Multiplikation des effektiven Kapazitätswertes auoh bei anderen Anwendungsfällen eingesetzt werden, bei welohen die oben beschriebene Kondensatoranordnung nicht vorliegt·Although the arrangement of the capacitor according to the invention is illustrated in relation to a particular monolithic amplifier configuration it can also be used in other monolithic arrangements. Although the beta multiplication of the effective capacitance value of the capacitor has been described on the basis of a special capacitor structure, the effect of the multiplication the effective capacity value also for other applications are used, in which the above-described Capacitor arrangement not available
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8125 | Change of the main classification | ||
| 8126 | Change of the secondary classification | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8363 | Opposition against the patent | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |